大連交大調(diào)研報(bào)告模版

1、調(diào)研報(bào)告一、 本課題的來源及意義 本次課程設(shè)計(jì)的課題是基于L298芯片的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)如今，隨著我國工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程不斷加快，自動(dòng)化生產(chǎn)的需求日益增加，對(duì)于電機(jī)的需求也不必不可少的相應(yīng)增加，小到家用電扇用的電機(jī)，大到航空飛機(jī)上的渦輪，無一不與電機(jī)有關(guān)。如果可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，將對(duì)生活和生產(chǎn)帶來巨大的利益。通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使之維持在一定的轉(zhuǎn)速，更好的為人們的生活和生產(chǎn)帶來巨大的方便。 二、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r筆者對(duì)國內(nèi)外與這一課題有關(guān)的領(lǐng)域做了詳細(xì)的調(diào)查。動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測量的方法有很多種，如光纖光柵傳感器、電容傳感器、石英晶體壓電傳感器以及電阻應(yīng)變

2、片傳感器等等。但目前，國內(nèi)外使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測量裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)力測量的方法主要有兩種：基于石英晶體壓電式傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測量裝置和基于電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測量裝置。 石英晶體壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)。即：在壓電晶體的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度)與外應(yīng)力張量T成正比;當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的

3、情況不可能是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。電阻應(yīng)變片的工作原理基于它的應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的阻值相應(yīng)發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)用應(yīng)變靈敏系數(shù)K來描述：(1)式中：泊松比 C取決于金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)對(duì)于金屬材料，電阻的相對(duì)變化主要由前兩項(xiàng)決定，即以導(dǎo)體的尺寸效應(yīng)為主，壓阻效應(yīng)為輔；而對(duì)于半導(dǎo)體材料，電阻的相對(duì)變化主要由第三項(xiàng)決定，即以壓阻效應(yīng)為主，尺寸效應(yīng)為輔。在認(rèn)識(shí)了使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)測量裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)力測量的兩種主要的方法后，讓我們來了解一下國內(nèi)外測力平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r：國內(nèi)研制測力平臺(tái)的主要有中國科學(xué)院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室與沈陽體育大學(xué)，其共

4、同研制的六維力平臺(tái)已經(jīng)成功應(yīng)用于體育訓(xùn)練當(dāng)中,在2000年曾對(duì)國家舉重隊(duì)的多位男子舉重世界冠軍進(jìn)行了現(xiàn)場測試,并提供訓(xùn)練指導(dǎo),取得了良好的效果,為我國運(yùn)動(dòng)員在悉尼奧運(yùn)會(huì)取得優(yōu)良成績做出了貢獻(xiàn)。而目前,國外研制六維力測試平臺(tái)的主要有瑞士的 Kistler 公司, 加拿大的 AMTI公司。Kistler 公司的測力平臺(tái)主要基于壓電晶體的,需要配備電荷放大器,價(jià)格相當(dāng)昂貴。AMTI公司包括國內(nèi)的清華大學(xué)和大連理工大學(xué)仿制的測力平臺(tái)都是應(yīng)變式的。但從結(jié)構(gòu)上看,這些測力臺(tái)都是由幾個(gè)獨(dú)立的三維力傳感器組合而成,這種結(jié)構(gòu)的測力平臺(tái)存在較大的溫飄和初始作用力,每次移動(dòng)都需重新嚴(yán)格調(diào)平,使用起來極其不便;另外由

5、于力矩是計(jì)算出來的, 難免帶來較大的計(jì)算誤差。三、 課題研究目標(biāo)、內(nèi)容本課題將根據(jù)當(dāng)今競技體育發(fā)展的需要，根據(jù)競技運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場的要求，利用電阻應(yīng)變片式應(yīng)變傳感器將力產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)化為電量，通過C8051F020型單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，使用其內(nèi)部放大器講信號(hào)放大并使用C8051F020型單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號(hào)，最后將采集來的信號(hào)通過上下位機(jī)通訊在上位計(jì)算機(jī)上顯示實(shí)時(shí)的應(yīng)力變化的波形。從而可以開發(fā)一套實(shí)用的滿足體育訓(xùn)練和比賽現(xiàn)場需要的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用C8051F020型單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通訊，利用電阻應(yīng)變片式應(yīng)變傳感器和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板等硬件，構(gòu)建軟、硬件測試和控制平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)的

6、實(shí)時(shí)顯示的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測量。保證平臺(tái)與計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和力的信息的數(shù)據(jù)采集。課題將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等，系統(tǒng)軟硬件緊密結(jié)合，并根據(jù)需要將各種技術(shù)和方法融合到一起。計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能測控技術(shù)的應(yīng)用，以及利用更多先進(jìn)設(shè)備和新興技術(shù)的融合，可以研制出一套以計(jì)算機(jī)為核心，自動(dòng)進(jìn)行圖像采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)多維應(yīng)力的測量和動(dòng)態(tài)顯示，既能給出精確測量結(jié)果又能觀測動(dòng)態(tài)力變化曲線的智能圖像測控系統(tǒng)。四、課題研究方法、手段該課題主要研究內(nèi)容包括三個(gè)部分，一是基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)（測量電路）；二是（模/數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)）分析軟件、控制軟件的編譯和調(diào)試；三是實(shí)現(xiàn)上

7、下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊： (1) 基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)：因設(shè)計(jì)目的為最終用于田徑運(yùn)動(dòng)場上跳高運(yùn)動(dòng)員或跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)的力進(jìn)行測量和動(dòng)態(tài)顯示，使得本次設(shè)計(jì)的應(yīng)變傳感器的外形必須為測力平臺(tái)。為了改善懸臂梁的特性，在提高動(dòng)特性的同時(shí)也增加靈敏度，筆者計(jì)劃設(shè)計(jì)將梁做成雙孔架結(jié)構(gòu)。如下圖所示,在板裝梁上有兩個(gè)孔，在梁的端部有集中力作用時(shí)，孔內(nèi)承受彎曲變形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁，應(yīng)變片處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi)，當(dāng)R1和R4的變形為拉伸時(shí)，R2和R3為壓縮變形，四個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好。另外，這種梁的剛度比單梁好，故動(dòng)特性好，滯后小。根據(jù)應(yīng)力分布可以看出，受力點(diǎn)位置變化時(shí)，一孔的彎矩增加

8、，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高了傳感器精度，使用時(shí)對(duì)力點(diǎn)位置的要求也有所降低。圖1 雙孔梁結(jié)構(gòu)示意圖 (2) 分析、控制軟件的編譯和調(diào)試： 本次設(shè)計(jì)需要使用匯編語言對(duì)C8051F020型單片機(jī)編譯，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集及分析的功能，從而滿足競技體育運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場的要求。 筆者之所以選擇了C8051F020型單片機(jī)，主要因?yàn)镃8051F系列單片機(jī)除具有一般單片機(jī)的共同特點(diǎn)之外，還具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，如指令運(yùn)行速度高、I/O端口功能采用軟件配制實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善、可實(shí)現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試等特點(diǎn)。并且，C8051F020型單片機(jī)配有內(nèi)部放大器和內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，這樣就不需

9、要再外加放大器和外部ADC。(3) 實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊 本次設(shè)計(jì)要使用C0851F020型單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。筆者計(jì)劃使用C0851F020型單片機(jī)的UART串行口通訊。異步串行通信UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是計(jì)算機(jī)與外界交換信息的一種基本通信方式。為了使單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)串行通信，在C0851F020型單片機(jī)內(nèi)部都設(shè)計(jì)了UART串行接口，它是一個(gè)可編程的全雙工異步串行通信接口，通過軟件編程它可以作為通用異步接收和發(fā)送器用，也可作同步移位寄存器用，還能實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。五、進(jìn)度安排表1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置設(shè)計(jì)（下位機(jī)數(shù)據(jù)采

10、集環(huán)節(jié)）日程安排日期計(jì)劃完成任務(wù)第1周調(diào)研學(xué)習(xí)現(xiàn)有動(dòng)態(tài)力信號(hào)測量原理與方法第2周查閱有關(guān)資料，完成調(diào)研報(bào)告及翻譯外文資料第3周初步提出完成任務(wù)的途徑；查找合適的外文資料第4周學(xué)習(xí)C8051F020單片機(jī)的使用及編程（程控放大器，A/D轉(zhuǎn)換器）第5周學(xué)習(xí)C8051F020單片機(jī)的使用及編程（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通信）第6周硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際調(diào)試第7周硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際調(diào)試第8周硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際調(diào)試，給出設(shè)計(jì)電路圖第9周編寫部分分析軟件及實(shí)際調(diào)試第10周編寫部分分析軟件及實(shí)際調(diào)試第11周軟件編程及實(shí)際調(diào)試，給出設(shè)計(jì)電路圖第12周整理資料，完成論文初稿第13周整理資料，完善論文第14周完成論文六、可行性分析經(jīng)過初步

11、的調(diào)研和分析，目前國內(nèi)同類系統(tǒng)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較為昂貴，研究和開發(fā)一個(gè)簡便又實(shí)用的動(dòng)態(tài)力實(shí)時(shí)測量顯示系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義重大。另外，從目前所具有的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和設(shè)備條件來看，我們完全具有研究和開發(fā)的能力，基本上可以完成開發(fā)任務(wù)。技術(shù)上，我們熟悉硬件的工作原理，并且能很好的應(yīng)用面向?qū)ο蟮膮R編語言開發(fā)工具,具有系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)的能力。經(jīng)濟(jì)上，待開發(fā)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于估算的開發(fā)成本，具有實(shí)際開發(fā)的價(jià)值。綜合考慮，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量裝置的研究與開發(fā)是可行的。通過對(duì)大量圖書及相關(guān)科技論文的閱讀，我開闊了視野，增長了知識(shí)，對(duì)課題的內(nèi)容和要求有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)有了整體上的掌握。參考文獻(xiàn)1 張迎新，雷文，姚靜波C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,2005.2 楊寶清. 現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:中國鐵道出版社，2002年.3 錢敏,孫寶元,張軍.整體式三維壓電測力平臺(tái)的研制J.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,40(5):570-5724 錢敏,卞亦文,戈瑜,吳仲城.一種多維力平臺(tái)陣列系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.測控技術(shù),2004,23(3):24-265 孫建風(fēng),高榮山,周東輝.運(yùn)動(dòng)員沖擊力實(shí)施監(jiān)測系統(tǒng)J.傳感器技術(shù),2005,24(4):45-476 唐毅,葛運(yùn)建,高